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生物質(zhì)原料壓塊成型條件的試驗研究*

2022-08-26 09:58:48王曉剛嚴永林王紹平
林產(chǎn)工業(yè) 2022年8期
關(guān)鍵詞:木粉壓塊生物質(zhì)

王曉剛 嚴永林 王紹平

(中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

鑒于化石能源的有限性和對自然環(huán)境的破壞性,增加能源結(jié)構(gòu)中可再生能源的使用比例已刻不容緩[1-3]。其中,生物質(zhì)能源具有原料多、分布廣的特點,大力推廣生物質(zhì)能源的使用可緩解對化石能源的依賴[4-6]。我國生物質(zhì)能資源產(chǎn)量巨大,其中農(nóng)作物秸稈資源最為豐富。據(jù)統(tǒng)計,我國每年農(nóng)作物秸稈理論資源量約為8~9億 t(風(fēng)干后重量)[7-9]。從品種上看,稻草占比25.1%,麥秸占比18.3%,玉米秸占比32.5%,棉稈占比3.1%,油料作物秸稈(主要為油菜和花生)占比4.4%[10-11]。農(nóng)林剩余物的綜合利用對于環(huán)境治理、能源節(jié)約以及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

然而,由于農(nóng)林剩余物結(jié)構(gòu)較為疏松,運輸不便且直接燃燒效率較低[12-14]。故應(yīng)采用生物質(zhì)固化成型技術(shù)將農(nóng)林剩余物在生物質(zhì)固化成型壓塊機上進行擠壓加工以獲得密度較高、運輸便利的固體壓塊產(chǎn)品[15-16]。若在擠壓過程中添加膠黏劑,則制成的壓塊可作為建筑材料,實現(xiàn)固碳的目的。

基于此,本文對影響生物質(zhì)壓塊成型的幾種主要因素進行探究,采用正交試驗的方法分析其對生物質(zhì)壓塊成型質(zhì)量的影響。本研究可為后續(xù)生物質(zhì)壓塊成型機的設(shè)計與計算提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 方法

本研究采用正交試驗法,具體操作如下:

1)選擇對生物質(zhì)壓塊成形影響較大的試驗因素;

2)根據(jù)相關(guān)研究資料確定單一試驗因素的較優(yōu)區(qū)間,并設(shè)計出合適的正交表;

3)根據(jù)試驗方案準(zhǔn)備試驗設(shè)備及試驗材料,隨后進行試驗并進行多次重復(fù)試驗,逐一記錄試驗數(shù)據(jù)取平均值;

4)對試驗結(jié)果進行分析,確定對壓塊成型影響因素的主次順序和最佳的多因素水平組合。

根據(jù)已有研究可知,影響生物質(zhì)固體成型的主要因素有成型壓強、成型保壓時間、原料含水率、原料顆粒度等[17-19]。其中,原料顆粒度主要影響成型塊的表面質(zhì)量,因而不作為本研究正交試驗的考慮因素。原料顆粒度固定為1~3 mm,將壓制壓強(A)、含水率(B)、保壓時間(C)作為變量值進行正交試驗,每個因素確定三個水平。

木質(zhì)顆粒的成型含水率約為8%~12%[20-22],而壓塊的成型條件低于顆粒成型,可適當(dāng)提高原料的含水率。通過對木質(zhì)碎料的成型壓力、成型時間和成型含水率的單因素試驗研究發(fā)現(xiàn),成型壓強在低于30 MPa,成型時間低于10 s時,生物質(zhì)壓塊成型質(zhì)量較差[23-24]??紤]到節(jié)能的原則,將生物質(zhì)原料的含水率分別設(shè)定為15%、20%和25%。生物質(zhì)壓塊的密度隨壓強及保壓時間的增大而增大??紤]到經(jīng)濟性以及可行性的原則,將生物質(zhì)原料的成型壓強分別設(shè)定為30、35 MPa和40 MPa,并將生物質(zhì)原料的保壓時間分別設(shè)定為10、20、30 s。本研究的正交試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal factors table

1.2 設(shè)備及原料

主要設(shè)備有:HX100壓模機,武漢華中科技大熱加工工程研究所;1000y型高速多功能粉碎機,永康市鉑歐五金制品有限公司;101型電熱鼓風(fēng)干燥箱,北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;便攜式粗糙度儀(TR240)型,廣州市廣精精密儀器有限公司;WT20002K電子天平,石家莊市金砝碼儀器設(shè)備有限公司;游標(biāo)卡尺,蘇州寶航機電有限公司;8411型振篩機,濟寧市翰業(yè)機械設(shè)備有限公司;北玻100 mL玻璃量筒,濟南魯儀醫(yī)療科技有限公司。

木質(zhì)素是生物質(zhì)原料中蘊含的復(fù)雜有機化合物,在生物質(zhì)壓塊成型過程中起粘結(jié)作用。林業(yè)剩余物的木質(zhì)素平均含量約為25%,而農(nóng)業(yè)剩余物的木質(zhì)素平均含量約為16%。故作為壓塊的原料,林業(yè)剩余物相較于農(nóng)業(yè)剩余物易成型、所需的工藝參數(shù)要求相對較低、所制取壓塊產(chǎn)品質(zhì)量較好。本試驗以木材加工廠的松木碎料為原料,去除其中的雜質(zhì)后晾曬備用。隨后將其粉碎并過篩,取顆粒度為1~3 mm的木粉裝袋備用。

采用烘干法對木粉含水率進行測定,其含水率約為13.7%,隨后根據(jù)試驗要求,對其進行含水率的調(diào)配。將木粉均勻分成三份,每份1 kg。根據(jù)測得的含水率,求得每份木粉中的絕干木粉質(zhì)量為863 g,水的質(zhì)量為137 g。計算公式如下:

式中:D為所需試樣含水率,%;A為應(yīng)加水量,g;B為原有含水量,g;C為試樣總質(zhì)量,g。

通過上式計算可知,為獲得含水率分別為15%、20%和25%的木粉,所需添加的水量分別為15.3、78.76 mL和150.66 mL。隨后用量筒量取所需水量后將水裝入噴壺中,均勻地噴在木粉表面并充分攪拌,隨后裝袋密封,靜置一天以使其中的水分擴散均勻。

1.3 試驗步驟

首先將所用固定尺寸的方形模具固定在HX-100型壓模機上,并將下模沖放入,等待其慢慢滑下。稱取50.2 g(木粉易灑落,故多稱取0.2 g,計算壓塊密度時應(yīng)以具體壓塊質(zhì)量為準(zhǔn))木粉倒入模腔內(nèi),隨后放入上模沖并正對壓模板。將壓強設(shè)定為擠壓壓強后,再啟動壓模機。提起液壓推桿使得物料向上移動,當(dāng)原料接觸到模腔,其間的壓強逐漸增大至設(shè)定值,隨后壓強保持不變。此時壓模機對物料進行保壓,同時計時器開始計時。當(dāng)達到預(yù)設(shè)的保壓時間時,關(guān)閉壓模機,并向下按壓推桿使得物料向下移動,壓模機卸載,并手動卸下模具。將模具放于架子上,隨后下模沖自動滑落,用錘子敲擊上模沖,使得壓塊滑出模腔。取出后測量壓塊的質(zhì)量與尺寸,計算出壓塊密度,重復(fù)試驗三次取平均值。

根據(jù)水平因素表的試驗因素和水平數(shù)可以設(shè)計出正交表L9(34),即共需進行9組試驗。

2 結(jié)果與分析

試驗完成之后,需對試驗數(shù)據(jù)進行處理。分別從壓塊密度、表面粗糙度以及抗跌碎性等三方面評價壓塊產(chǎn)品的質(zhì)量。

密度主要是采用電子秤稱取其重量以及游標(biāo)卡尺量取其尺寸,隨后使用密度公式求得;表面粗糙度則是使用便攜式粗糙度儀(TR240)型測取;抗跌碎性主要采取觀察法。本研究的試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗方案設(shè)計及結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Orthogonal test scheme design and result statistics

壓塊產(chǎn)品的質(zhì)量主要從以下三個方面評定:壓塊密度越大,說明壓塊內(nèi)部分子間結(jié)合越緊密,壓塊質(zhì)量越好;壓塊表面粗糙度越小說明壓塊表面越光滑,即壓塊越易從壓縮室內(nèi)滑出,壓塊質(zhì)量越好[25];壓塊抗跌碎性越好,說明滑塊在運輸過程中越不易散落,壓塊質(zhì)量越好。由表2可知,不同試驗方案下的壓塊產(chǎn)品的密度、表面粗糙度、抗跌碎性均有差異,其中密度是三個因素中差異性較大且更為重要的因素,故隨后需對壓塊密度進行試驗分析,正交試驗的擠壓成型壓塊實物圖如下圖1所示。

圖1 正交試驗擠壓成型壓塊實物圖Fig.1 Picture of extruded block in orthogonal experiment

計算各單因素水平(壓制壓強、松木粉含水率、保壓時間)對平均試驗指標(biāo)和(Kjm)的影響,進而可確定較優(yōu)組合水平。平均試驗指標(biāo)和(Kjm)指的是第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和的平均值。試驗因素有A(壓制壓強),B(含水率)和C(保壓時間)。各個因素的平均試驗指標(biāo)及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果分析Tab.3 Analysis of test results

由表3可知,壓制壓強的三個不同水平(30、35、40 MPa)所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下:KA3>KA2>KA1。即壓制壓強的3水平(40 MPa)要優(yōu)于其他兩個水平;含水率的三個不同水平(15%、20%、25%)所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下:KB1>KB2>KB3。即含水率的1水平(15%)要優(yōu)于其他兩個水平;保壓時間的三個不同水平(10、20、30 s)所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下:KC2>KC1>KC3。即保壓時間的2水平(20 s)要優(yōu)于其他兩個水平。故較優(yōu)因素水平組合為A3B1C2。

3 結(jié)論

1)由正交試驗結(jié)果可知,A3B1C2為三個重要因素的較優(yōu)組合,即松木粉的含水率為15%,壓制壓強為40 MPa,保壓時間為20 s。經(jīng)后續(xù)試驗驗證,在該條件下獲得的壓塊密度為0.823 g/cm3,表面粗糙度為3.871μm。壓塊密度較高、表面光滑、光亮度高且無顆粒脫落。此類壓塊可適當(dāng)加入粘合劑用于建筑用材。

2)當(dāng)壓塊產(chǎn)品用于燃燒而非建筑用材時,為提高其生產(chǎn)率,可適當(dāng)提高生物質(zhì)原料的含水率以及適當(dāng)降低壓制壓強與保壓時間。即可將含水率調(diào)整為20%,壓制壓強調(diào)整為30 MPa,保壓時間調(diào)整為10 s。單獨試驗測得在該條件下獲得的壓塊密度為0.632 g/cm3,生產(chǎn)效率高且壓塊產(chǎn)品較易于燃燒。此類壓塊可用于替代化石能源的燃燒。

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